KAIST 연구진, 신개념 빛 측정 센서 개발…"초기 질병 진단 등 적용"

메타표면으로 향상된 샥-하트만 파면센서 기술. KAIST 제공

국내 연구진이 초기 질병 진단, 제조 공정의 결함 검출과 자율 주행 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 신개념 빛 측정 센서를 개발했다.

KAIST는 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀이 세계 최초로 메타표면으로 성능이 대폭 향상된 파면 센서를 이용해 복잡한 물체의 단일 측정 위상 이미징 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

파면은 파동이 동일한 위상을 가지고 있는 지점들을 연결한 면이다. 샥-하트만 파면 센서(Shack-Hartmann wavefront sensor)는 렌즈 배열과 카메라가 결합된 구조로, 각 렌즈에 입사하는 파면의 경사도에 따라 달라지는 초점의 위치를 분석해 입사된 빛의 파면을 복구한다.

하지만 기존 샥-하트만 파면 센서는 마이크로 렌즈 크기 때문에 공간해상도가 1㎟당 100개 수준으로 제한되어 복잡한 물체의 위상 이미징이 불가능했다.

연구팀은 나노 공정 기술을 통해 제작된 메타표면을 이용해 이 문제를 해결했다. 이번 연구에서 메타표면 기술로 제작된 메타 렌즈를 활용해 시판되고 있는 샥-하트만 파면 센서보다 약 100배 높은 공간해상도를 가지는 메타 샥-하트만 파면 센서를 개발했다. 개발된 메타 샥-하트만 파면 센서는 높은 공간해상도를 이용해 기존 샥-하트만 파면 센서로는 측정이 불가능했던 복잡한 구조체의 위상 이미지를 얻는 데 성공했다.

또한 연구팀은 메타 샥-하트만 파면 센서를 통해 3차원 위치를 추적했다. 이 과정에서, 메타 샥-하트만 파면 센서가 거의 모든 가시광 영역에서 작동하며, 기존 샥-하트만 파면 센서보다 약 10배 큰 시야각을 가지는 것을 확인했다. 이 기술을 활용하면 넓은 영역에서 물체의 3차원 위치의 추적이 가능하다.

연구를 주도한 고기현 박사는 "메타 샥-하트만 파면 센서는 기존 기술보다 견고하고 작은 크기를 가지는 장비로서 초기 질병 진단, 제조 공정의 결함 검출과 자율 주행 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

KAIST 바이오및뇌공학과 고기현 박사가 제1 저자, 장무석 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '라이트:사이언스&어플리케이션즈(Light:Science&Applications)'에 지난 8월 12일자로 출판됐다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 주관하는 바이오·의료기술개발사업, STEAM연구사업, 선도연구센터지원사업(ERC), 우수신진연구자사업, 교육부가 주관하는 박사후국내연수사업, 삼성미래기술육성사업, 삼성설비연산학과제의 지원을 받아 수행됐다.

(왼쪽부터) KAIST 바이오및뇌공학과 장무석 교수, 고기현 박사. KAIST 제공